Rekordverdächtiger Wirkungsgrad bei rein organischen Solarzellen erreicht!
Während herkömmliche Solarzellen problematische Abfälle erzeugen, versprechen Solarzellen auf reiner Kohlenstoffbasis eine umweltfreundliche Alternative
Mit den weltweiten Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels steigt die Nachfrage nach Solarenergie. Da die derzeit am häufigsten verwendeten Solarzellen auf Siliziumbasis jedoch eine Vielzahl gefährlicher Stoffe enthalten, verursacht ihre Entsorgung oder ihr Recycling Umweltbelastungen und ist mit erheblichen Kosten verbunden. Dasselbe Problem stellt sich bei den Schichtsolarzellen der nächsten Generation, z. B. den Solarzellen auf Perowskit-Basis, da auch sie potenziell gefährliche Stoffe wie Bleiverbindungen und Metalloxide enthalten. Um solche Probleme bei der Entsorgung zu vermeiden und eine umweltfreundliche Energiequelle zu erschließen, haben Wissenschaftler nach Schichtsolarzellen gesucht, die vollständig aus kohlenstoffbasierten Materialien bestehen (vollorganische Solarzellen). Ohne gefährliche Metalle können sie wie herkömmliche Kunststoffe sicher verbrannt werden, was die Umweltbelastung und die Entsorgungskosten erheblich reduziert. Trotz dieser Vorteile erreichen die vollorganischen Solarzellen derzeit nur einen sehr geringen Wirkungsgrad (PCE) von höchstens 4 %, der weit unter dem von herkömmlichen Silizium-Solarzellen (>27 %) und Perowskit-Solarzellen (>26 %) liegt. Daher werden intensive technologische Fortschritte für hochleistungsfähige vollorganische Solarzellen erwartet.
Masahiro Nakano, außerordentlicher Professor am Institute of Science and Engineering, Faculty of Chemistry, Kanazawa University, hat mit Wissenschaftlern von REIKO Co., Ltd. zusammengearbeitet. (Junichi Iwai, Präsident) und der Queen's University in Kingston, Kanada, zusammengearbeitet und nun erfolgreich vollorganische Solarzellen mit dem weltweit höchsten Wirkungsgrad entwickelt. Während die Leistung früherer vollorganischer Solarzellen auf etwa 4 % PCE begrenzt war, erreichen die neu entwickelten Zellen einen mehr als doppelt so hohen Wirkungsgrad wie frühere Zellen.
Zwei große Probleme behinderten bisher die Leistung von vollorganischen Solarzellen. Erstens ist die Verfügbarkeit hochleitfähiger organischer transparenter Elektrodenmaterialien, die sich für Schichtsolarzellen eignen, begrenzt. Es wurde über einige organische Materialien mit hoher Leitfähigkeit berichtet, aber ihre Herstellung erforderte starke Säuren, Basen oder ein Ausglühen bei hohen Temperaturen (>150°C), was organische Substratfilme und organische Halbleiterschichten beschädigen konnte. Um dieses Problem zu überwinden, entwickelte das Forscherteam eine transparente Elektrode auf der Grundlage des leitfähigen Polymers PEDOT:PSS. Die Elektrode auf der Basis von PEDOT:PSS kann bei einer niedrigeren Temperatur (80°C) ohne Verwendung von Säuren oder Basen hergestellt werden und weist eine ausreichende Leitfähigkeit (Schichtwiderstand: <70 Ω/qm) für Solarzellen in Folienform auf.
Das zweite Problem ist die Schwierigkeit, mehrere Schichten in der Solarzellenvorrichtung vom Filmtyp zu stapeln, ohne die darunter liegenden Schichten zu beschädigen. Bei Lösungsprozessen könnten die Tinten der oberen Schichten die unteren Schichten beschädigen. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten sie die "Laminierungsmethode für Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden". Bei dieser Technik werden die Elektroden separat auf den Barrierefolien der Solarzellen ausgebildet und dann an der Vorrichtung angebracht, so dass die unteren organischen Schichten bei der Herstellung der Elektroden nicht beschädigt werden. Durch die Kombination der neuen transparenten organischen Elektrode und der Herstellungsmethode gelang es dem Forscherteam, rein organische Solarzellen zu entwickeln, die einen mehr als doppelt so hohen Wirkungsgrad (8,7 %) aufweisen wie frühere Modelle (4,0 %). Dieser Fortschritt ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur praktischen Anwendung von leistungsstarken vollorganischen Solarzellen.
Für die Zukunft versprechen vollorganische Solarzellen vielversprechende Anwendungen in ökologisch sensiblen Bereichen, wie z. B. in der Landwirtschaft und bei tragbaren Geräten. Ihr geringes Gewicht und ihre Flexibilität ermöglichen auch die Installation an Orten, an denen herkömmliche Solarzellen unpraktisch wären. Das Forschungsteam will die Leistung weiter steigern, indem es die Leitfähigkeit der organischen Elektroden verbessert.
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Originalveröffentlichung
Keiju Hashida, Akihiro Konishi, Hiroyuki Itaya, Kenji Takahashi, Md. Shahiduzzaman, Makoto Karakawa, Tetsuya Taima, Tatsuya Arashitani, Kimio Kawai, Ryo Nishiyama, Kohshin Takahashi, Jean‐Michel Nunzi, Masahiro Nakano; "Unlocking High‐Performance in All‐Organic Solar Cells by the Development of Organic Electrodes with No Acid and High‐Temperature Treatment and the Effective Preparation Thereof on Organic Multilayer Films"; Advanced Functional Materials, 2025-2-7
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